(57)【要約】      （修正有）【課題】加工対象物の３次元状の加工面に対して、所望の加工パターンを容易に設定可能な３次元加工データ設定装置等を提供する。【解決手段】加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置における、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定装置１８０であって、加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段３Ａと、加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段３Ｂと、加工面を仮想的に３次元状に表示可能な表示部８２と、入力された加工対象物の加工面に加工パターンを仮想的に一致させるように、加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段８０Ａとを備える。【選択図】図１８
2007111763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定装置であって、
加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、
加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、
加工面を仮想的に３次元状に表示可能な表示部と、
前記入力された加工対象物の加工面に前記加工パターンを仮想的に一致させるように、前記加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段と、
を備えることを特徴とする３次元加工データ設定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元加工データ設定装置であって、さらに、
前記表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整するための調整手段
を備えることを特徴とする３次元加工データ設定装置。
【請求項３】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定方法であって、
加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力し、必要に応じて加工面を表示部上に仮想的に３次元状に表示する工程と、
加工パターン情報を入力する工程と、
前記入力された加工対象物の加工面に前記加工パターンを仮想的に一致させるように、前記加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する工程と、
前記表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整する工程と、
を含むことを特徴とする３次元加工データ設定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の３次元加工データ設定方法であって、
前記加工面のプロファイル情報の入力が、
３次元形状を入力可能なプログラム上から、加工対象物の少なくとも加工面の形状を指定する方式、
加工対象物の少なくとも加工面の形状を特定するためのパラメータを、対話形式でユーザに入力させる方式、
加工対象物の少なくとも加工面の形状に予め作成された３Ｄデータのデータファイルを入力して変換する方式、
加工対象物の少なくとも加工面の形状を実際にセンサで読み込んで取得する方式
の少なくともいずれかであることを特徴とする３次元加工データ設定方法。
【請求項５】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定方法であって、
加工対象物の加工面に加工したい加工パターンを加工対象物の加工面に一致させるように、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータを設定する工程と、
前記空間位置・形状情報パラメータに基づいて加工パターンを表示部上に表示し、必要に応じて加工パターンの座標位置を調整する工程と、
を含むことを特徴とする３次元加工データ設定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の３次元加工データ設定方法であって、
前記加工パターンの空間位置・形状情報パラメータの設定が、
３次元形状を入力可能なプログラム上から行われる方式、
外部機器とのデータ通信により行われる方式、
加工パターンの空間位置・形状情報パラメータが記録されたデータファイルを読み込む方式、
の少なくともいずれかであることを特徴とする３次元加工データ設定方法。
【請求項７】
請求項３から６のいずれか一に記載の３次元加工データ設定方法であって、さらに
設定された条件に基づいて実際にテスト加工を行う工程
を含むことを特徴とする３次元加工データ設定方法。
【請求項８】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定プログラムであって、
加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力し、必要に応じて加工面を表示部上に仮想的に３次元状に表示する機能と、
加工パターン情報を入力する機能と、
前記入力された加工対象物の加工面に前記加工パターンを仮想的に一致させるように、前記加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する機能と、
前記表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整する機能と
をコンピュータに実現させることを特徴とする３次元加工データ設定プログラム。
【請求項９】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定プログラムであって、
加工対象物の加工面に加工したい加工パターンを加工対象物の加工面に一致させるように、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータを設定する機能と、
前記空間位置・形状情報パラメータに基づいて加工パターンを表示部上に表示し、必要に応じて加工パターンの座標位置を調整する機能と、
をコンピュータに実現させることを特徴とする３次元加工データ設定プログラム。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載されるプログラムを格納したコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器。
【請求項１１】
加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置であって、
レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、
前記レーザ発振部より出射されるレーザ光を作業領域内において走査させるためのレーザ光走査系として、
入射レンズと出射レンズを備えるビームエキスパンダであって、前記レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に前記入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離を変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダを透過したレーザ光を第１の方向に走査させるための第１のミラーと、
前記第１のミラーで反射されたレーザ光を前記第１の方向と略直交する第２の方向に走査させるための第２のミラーと、
前記第２のミラーで反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズ
とを有するレーザ光走査系と、
前記レーザ発振部および前記レーザ光走査系を制御するための制御部と、
加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、
加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、
加工面を仮想的に３次元状に表示可能な表示部と、
前記入力された加工対象物の加工面に前記加工パターンを仮想的に一致させるように、前記加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ加工装置であって、
前記第１のミラー及び第２のミラーがガルバノミラーで構成され、各々略直交する回転軸を中心に回転可能なガルバノメータ式スキャナに接続されてＸ軸スキャナ及びＹ軸スキャナを構成しており、
前記ビームエキスパンダが、入射レンズと出射レンズとの相対距離をこれらの光軸に沿って調整可能なＺ軸スキャナを構成しており、
前記レーザ光走査系が、これらＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸スキャナでレーザ光をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に走査可能に構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して印字等の加工を行うレーザ加工装置であって、特に加工対象物の加工面が平面でなく３次元状に変化するものであっても加工可能な３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図１に示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。レーザ制御部１のレーザ励起部６で発生される励起光を、レーザ出力部２のレーザ発振部５０で発振器を構成するレーザ媒質８に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光はレーザ媒質８の出射端面から出射され、ビームエキスパンダ５３でビーム径を拡大されて、光学部材５４により反射されて走査部９に導かれる。走査部９は、レーザ光Ｌを反射させて所望の方向に偏光し、集光部１５から出力されるレーザ光Ｌは、ワークＷの表面で走査されて印字等の加工を行う。
【０００３】
レーザ加工装置は、レーザ出力光をワーク上で走査させるために、図２に示すような走査部９を備える。走査部９は、一対のガルバノミラーを構成するＸ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂと、各ガルバノミラーをそれぞれ回動軸に固定し回動するためのガルバノモータ５１ａ、５１ｂとを備えている。Ｘ・Ｙ軸スキャナ１４ａ、１４ｂは、図２に示すように互いに直交する姿勢で配置されており、レーザ光をＸ方向、Ｙ方向に反射させて走査させることができる。また、走査部９の下方には、集光部１５が備えられる。集光部１５は集光レンズで構成され、ｆθレンズが使用される。
【０００４】
一方で、このような一定の２次元平面内で走査可能なレーザ加工装置のみならず、レーザ光の焦点距離を調整可能なレーザ加工装置も開発されている（例えば特許文献１参照）。このレーザ加工装置は、図３に示すように、伝播光径調整レンズ２８を光軸方向（矢印で図示する方向）へ移動させることにより、対物レンズ２０に入射されるレーザ光Ｌの光径を所定に制御する。すなわち、ワークＷの加工面ＷＰに常に焦点を結ぶことができるように、レーザ光Ｌの光径を制御することができる。制御方法、すなわち伝播光径調整レンズ２８の移動量は、例えば図３においてガルバノメータ式スキャナ２１が、レーザ発振器２７から最も遠い位置に移動されている位置を基準位置として、そのときの加工面ＷＰにおけるレーザ光Ｌの光径を測定する。次いでこの基準位置からガルバノメータ式スキャナ２１を任意の位置へ移動させ、ここで、加工面ＷＰにおけるレーザ光Ｌの光径を測定する。これにより、基準位置からの移動量とレーザ光Ｌの光径の変化量とを得ることができ、従って両者の比例関係からして、ガルバノメータ式スキャナ２１の位置と、その光径の変化量との関係を求めることができる。この結果、レーザ光Ｌの光径を、ワークの加工面に常に焦点を結ぶことができるように、レーザ光Ｌの焦点距離を調整することが可能となる。この機構を利用すれば、Ｘ軸、Ｙ軸方向のみならず、Ｚ軸方向にもレーザ光を走査させて、３次元状に加工する３次元レーザ加工装置が実現できる。
【特許文献１】特開２０００−２０２６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、３次元状加工可能なレーザ加工装置では、加工対象自体が立体形状であるため、加工文字列や加工パターンを指定する際も立体的に指定しなければならない。従来、加工対象部に立体的な機械加工を行うＮＣ工作機械等において３次元状の加工パターンを指定しようとすれば、加工対象物の２次元モデル図面とレーザ用２次元加工図面に基づいてユーザが手作業で行う必要がある。このような３次元加工制御用データ作成を手作業で正確かつ効率的に行うには、作業者にかなりの熟練度が要求される。また手作業によるデータ作成では作業時間の短縮に限界がある。そのため、人的リソースと作業時間の不足により、多品種短納期製品や多種類の開発試作には、対応できないという問題がある。
【０００６】
これに対し、ユーザが加工条件を入力することで、３次元ＣＡＤで作成された加工対象物のモデルに基づいて自動的にレーザの照射位置や加工対象物の姿勢角度等の制御用データを生成するようにしたデータ作成プログラムを使用する方法もあるが、この方法でもデータの入力に際しては、ユーザが指定すべき項目は多岐にわたり、専門的なパラメータを入力する必要があり、設定作業を容易に行えるものではなかった。特に３次元形状データの入力には、専用の３Ｄ−ＣＡＤで作成されたデータを利用するため、他の方法で３次元形状データを指定することは困難であった。
【０００７】
さらに、加工対象物の３次元形状と、これに加工したいパターンの３次元形状とは異なるため、これらを別々に設定する必要がある。すなわち、３Ｄ−ＣＡＤから入力したワークの３次元形状データと、ここに加工する３次元加工パターン（パラメータ）を同様に３Ｄ−ＣＡＤで入力して、３次元加工に必要なデータを生成する必要がある。しかしながら、加工パターン自体が３次元形状であることを意識しながらユーザに設定させる作業は非常に煩雑であり、初心者には敷居が高かった。
【０００８】
さらにレーザマーカ等のレーザ加工装置では、任意のパターン以外にも、レーザマーカに内蔵されている内蔵フォントや、ユーザが設定しているユーザフォントを印字できる必要がある。内蔵フォントを使用する理由は、フォントを構成する線分や円弧の区切り方が変わると、書き順が異なったり、印字のつなぎ目や交点が太く印字される等、印字結果が変化してしまうおそれがあるからである。しかしながら、３次元印字の場合には、印字される文字自体も３次元形状となるため、平面状の内蔵フォントと同一とならず、専用の加工用データを加工場所毎に用意する必要がある。例えば印字に使用するフォントを何らかの方法で３Ｄ−ＣＡＤに取り込んで、３Ｄ−ＣＡＤの機能でワークに貼り付けて、そのデータを再度レーザマーカ側に戻したとしても、文字の配置形状毎にフォントデータを持つ必要が生じ、膨大なデータ量を準備する必要が生じる。特に、印字内容が日付データ等同じ位置に異なる文字が配置される可能性がある場合は、使用される印字位置×文字パターン数分についてデータを用意しておかなければならない。このようなデータをすべてユーザに作成、設定させることは極めて困難であり、実用的でない。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、３次元状に加工可能なレーザ加工装置について、加工対象物の３次元状の加工面に対して、所望の加工パターンを容易に設定可能な３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る３次元加工データ設定装置は、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定装置であって、加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、加工面を仮想的に３次元状に表示可能な表示部と、入力された加工対象物の加工面に加工パターンを仮想的に一致させるように、加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段とを備える。これによって、加工対象物の加工面とここに加工される加工パターンを個別に指定できるので加工イメージを把握しやすく、３次元状に加工を行うレーザ加工装置において加工情報を設定を適切に行うことができる。
【００１１】
また、本発明の第２の側面に係る３次元加工データ設定装置は、さらに、表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整するための調整手段を備える。これによって、設定された加工パターンが正しく加工位置にあるかどうかを表示部に表示させて確認しつつ、さらなる微調整を可能としている。
【００１２】
さらに、本発明の第３の側面に係る３次元加工データ設定方法は、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定方法であって、加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力し、必要に応じて加工面を表示部上に仮想的に３次元状に表示する工程と、加工パターン情報を入力する工程と、入力された加工対象物の加工面に加工パターンを仮想的に一致させるように、加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する工程と、表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整する工程とを含む。これによって、加工対象物の加工面とここに加工される加工パターンを個別に指定できるので加工イメージを把握しやすく、３次元状に加工を行うレーザ加工装置において加工情報を設定を適切に行うことができる。
【００１３】
さらにまた、本発明の第４の側面に係る３次元加工データ設定方法は、加工面のプロファイル情報の入力が、３次元形状を入力可能なプログラム上から、加工対象物の少なくとも加工面の形状を指定する方式、加工対象物の少なくとも加工面の形状を特定するためのパラメータを、対話形式でユーザに入力させる方式、加工対象物の少なくとも加工面の形状に予め作成された３Ｄデータのデータファイルを入力して変換する方式、加工対象物の少なくとも加工面の形状を実際にセンサで読み込んで取得する方式の少なくともいずれかである。これによって、加工したい立体情報を比較的容易に指定することが可能となる。
【００１４】
さらにまた、本発明の第５の側面に係る３次元加工データ設定方法は、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定方法であって、加工対象物の加工面に加工したい加工パターンを加工対象物の加工面に一致させるように、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータを設定する工程と、空間位置・形状情報パラメータに基づいて加工パターンを表示部上に表示し、必要に応じて加工パターンの座標位置を調整する工程とを含む。これによって、加工対象物を指定することなく直接加工パターンに関する情報を指定できる。
【００１５】
さらにまた、本発明の第６の側面に係る３次元加工データ設定方法は、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータの設定が、３次元形状を入力可能なプログラム上から行われる方式、外部機器とのデータ通信により行われる方式、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータが記録されたデータファイルを読み込む方式の少なくともいずれかである。これによって、加工したい立体情報を比較的容易に指定することが可能となる。
【００１６】
さらにまた、本発明の第７の側面に係る３次元加工データ設定方法は、さらに設定された条件に基づいて実際にテスト加工を行う工程を含む。これにより、設定に基づいて所望の加工結果が得られるかどうかを実際に確認でき、結果に応じて更に３次元加工データの設定を調整することができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の第８の側面に係る３次元加工データ設定プログラムは、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定プログラムであって、加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力し、必要に応じて加工面を表示部上に仮想的に３次元状に表示する機能と、加工パターン情報を入力する機能と、入力された加工対象物の加工面に加工パターンを仮想的に一致させるように、加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する機能と、表示部上に表示された加工面上に仮想的に重ねて表示し、必要に応じて、加工パターンの３次元空間座標を調整する機能とをコンピュータに実現させる。これによって、加工対象物の加工面とここに加工される加工パターンを個別に指定できるので加工イメージを把握しやすく、３次元状に加工を行うレーザ加工装置において加工情報を設定を適切に行うことができる。
【００１８】
さらにまた、本発明の第９の側面に係る３次元加工データ設定プログラムは、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置について、所望の加工パターンに基づいて３次元加工データを設定するための３次元加工データ設定プログラムであって、加工対象物の加工面に加工したい加工パターンを加工対象物の加工面に一致させるように、加工パターンの空間位置・形状情報パラメータを設定する機能と、空間位置・形状情報パラメータに基づいて加工パターンを表示部上に表示し、必要に応じて加工パターンの座標位置を調整する機能とをコンピュータに実現させる。これによって、加工対象物を指定することなく直接加工パターンに関する情報を指定できる。
【００１９】
また本発明の本発明の第１０の側面に係るコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器は、上記プログラムを格納するものである。記録媒体には、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷやフレキシブルディスク、磁気テープ、ＭＯ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、ブルーレイディスク、ＨＤ  ＤＶＤ等の磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリその他のプログラムを格納可能な媒体が含まれる。またプログラムには、上記記録媒体に格納されて配布されるものの他、インターネット等のネットワーク回線を通じてダウンロードによって配布される形態のものも含まれる。さらに記録した機器には、上記プログラムがソフトウェアやファームウェア等の形態で実行可能な状態に実装された汎用もしくは専用機器を含む。さらにまたプログラムに含まれる各処理や機能は、コンピュータで実行可能なプログラムソフトウエアにより実行してもよいし、各部の処理を所定のゲートアレイ（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ）等のハードウエア、又はプログラムソフトウエアとハードウェアの一部の要素を実現する部分的ハードウエアモジュールとが混在する形式で実現してもよい。
【００２０】
さらにまた、本発明の第１１の側面に係るレーザ加工装置は、加工対象物の３次元状の加工面に対して、レーザ光の焦点位置を調整して加工パターンを加工可能なレーザ加工装置であって、レーザ光を発生させるためのレーザ発振部と、レーザ発振部より出射されるレーザ光を作業領域内において走査させるためのレーザ光走査系として、入射レンズと出射レンズを備えるビームエキスパンダであって、レーザ発振部から照射されるレーザ光の光軸に入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離を変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なビームエキスパンダと、ビームエキスパンダを透過したレーザ光を第１の方向に走査させるための第１のミラーと、第１のミラーで反射されたレーザ光を第１の方向と直交する第２の方向に走査させるための第２のミラーと、第２のミラーで反射されたレーザ光を作業領域に照射させるよう集光するための集光レンズとを有するレーザ光走査系と、レーザ発振部およびレーザ光走査系を制御するための制御部と、加工対象物の少なくとも加工面に関する３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、加工面を仮想的に３次元状に表示可能な表示部と、入力された加工対象物の加工面に加工パターンを仮想的に一致させるように、加工パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段とを備える。これによって、加工対象物の加工面とここに加工される加工パターンを個別に指定できるので加工イメージを把握しやすく、３次元状に加工を行うレーザ加工装置において加工情報を設定を適切に行うことができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の第１２の側面に係るレーザ加工装置は、第１のミラー及び第２のミラーがガルバノミラーで構成され、各々略直交する回転軸を中心に回転可能なガルバノメータ式スキャナに接続されてＸ軸スキャナ及びＹ軸スキャナを構成しており、ビームエキスパンダが、入射レンズと出射レンズとの相対距離をこれらの光軸に沿って調整可能なＺ軸スキャナを構成しており、レーザ光走査系が、これらＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸スキャナでレーザ光をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に走査可能に構成されている。これにより、ガルバノミラー及びビームエキスパンダの組み合わせにより、レーザ光の３次元加工が実現される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置によれば、加工対象物の加工面とここに加工される加工パターンを個別に指定できるので加工イメージを把握しやすく、３次元状に加工を行うレーザ加工装置において加工情報を設定を適切に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置を例示するものであって、本発明は３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２４】
本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに観察像のデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。
【００２５】
以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、レーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ発振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えばＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ等の光ディスクの高密度記録再生用光源や通信用の光源、印刷機器、照明用光源、ディスプレイ等の表示装置用の光源、医療機器等において、好適に利用できる。また、本明細書においては加工の代表例として印字について説明するが、印字とは文字や記号、図形等のマーキングの他、上述した各種の加工も含む概念で使用する。さらに本明細書において印字文字列や印字パターンとは、ひらがな、カタカナ、漢字、アルファベットや数字、記号、絵文字、アイコン、ロゴ、バーコードや２次元コード等のグラフィック等も含める意味で使用する。
【００２６】
図１はレーザ加工装置１００を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置１００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２と入力部３とを備える。
（入力部３）
【００２７】
入力部３はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置の動作条件や具体的な印字内容等である。入力部３はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部３は入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示する表示部を別途設けることもできる。表示部はＬＣＤやブラウン管等のモニタであり、タッチパネル方式として入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置の必要な設定を行うことができる。
（レーザ制御部１）
【００２８】
レーザ制御部１は、制御部４とメモリ部５とレーザ励起部６と電源７とを備える。入力部３から入力された設定内容をメモリ部５に記録する。制御部４は必要時にメモリから設定内容を読み込み、印字内容に応じた印字信号に基づいてレーザ励起部６を動作させてレーザ出力部２のレーザ媒質８を励起する。メモリ部５はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。
【００２９】
さらに制御部４は、設定された印字を行うようレーザ媒質８で発振されたレーザ光Ｌを印字対象物（ワーク）Ｗ上で走査させるため、レーザ出力部２の走査部９を動作させる走査信号を走査部９に出力する。電源７は、定電圧電源として、レーザ励起部６へ所定電圧を印加する。印字動作を制御する印字信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光ＬのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光Ｌの１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
（レーザ励起部６）
【００３０】
レーザ励起部６は、光学的に接合されたレーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１を備える。レーザ励起部６の内部の一例を図４の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部６は、レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１をレーザ励起部ケーシング１２内に固定している。レーザ励起部ケーシングは、熱伝導性の良い真鍮等の金属で構成され、レーザ励起光源１０を効率よく外部に放熱する。レーザ励起光源１０は半導体レーザやランプ等で構成される。図４の例では、複数の半導体レーザダイオード素子を直線状に並べたレーザダイオードアレイを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振はレーザ励起光源集光部１１の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。レーザ励起光源集光部１１はフォーカシングレンズ等で構成される。レーザ励起光源集光部１１からのレーザ励起光は光ファイバケーブル１３等によりレーザ出力部２のレーザ媒質８に入射される。レーザ励起光源１０とレーザ励起光源集光部１１、光ファイバケーブル１３は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。
（レーザ出力部２）
【００３１】
レーザ出力部２は、レーザ発振部５０を備える。レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部５０は、レーザ媒質８と、レーザ媒質８が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された出力ミラー及び全反射ミラーと、これらの間に配されたアパーチャ、Ｑスイッチ等を備える。レーザ媒質８が放出する誘導放出光を、出力ミラーと全反射ミラーとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチの動作により短周期にて通断しつつアパーチャによりモード選別して、出力ミラーを経てレーザ光Ｌを出力する。図１に示すレーザ出力部２は、レーザ媒質８と走査部９を備える。レーザ媒質８は光ファイバケーブル１３を介してレーザ励起部６から入射されるレーザ励起光で励起されて、レーザ発振される。レーザ媒質８はロッド状の一方の端面からレーザ励起光を入力して励起され、他方の端面からレーザ光Ｌを出射する、いわゆるエンドポンピングによる励起方式を採用している。
（レーザ媒質８）
【００３２】
上記の例では、レーザ媒質８としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4の固体レーザ媒質を用いた。また固体レーザ媒質の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ4の吸収スペクトルの中心波長である８０９ｎｍに設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光Ｌの波長を任意の波長に変換できる。
【００３３】
さらに、固体レーザ媒質を使用せず、言い換えるとレーザ光を発振させる共振器を構成せず、波長変換のみを行う波長変換素子を使用することもできる。この場合は、半導体レーザの出力光に対して波長変換を行う。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ4）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ4）、ＢＢＯ、ＬＢＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ3（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ3等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
【００３４】
さらにまた、レーザ発振部は、固体レーザに限られず、ＣＯ2やヘリウム−ネオン、アルゴン、窒素等の気体を媒質として用いる気体レーザを利用することもできる。例えば炭酸ガスレーザを用いた場合のレーザ発振部は、レーザ発振部の内部に炭酸ガス（ＣＯ2）が充填され、電極を内蔵しており、レーザ制御部から与えられる印字信号に基づいて、レーザ発振部内の炭酸ガスを励起し、レーザ発振させる。
（走査系）
【００３５】
次に、レーザ加工装置のレーザ光走査系を図５、図６、図７に示す。これらの図において、図５はレーザ加工装置のレーザ光走査系の構成を示す斜視図を、図６は図５を逆方向から見た斜視図を、図７は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ発振部と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ５３と、Ｘ軸スキャナ１４ａと、Ｘ軸スキャナ１４ａと直交するよう配置されたＹ軸スキャナ１４ｂとを備える。このレーザ光走査系は、レーザ発振部より出射されるレーザ光ＬをＸ軸スキャナ１４ａ、Ｙ軸スキャナ１４ｂで作業領域ＷＳ内で２次元的に走査させ、さらにＺ軸スキャナ１４ｃで高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、３次元状に印字加工が可能となる。なお図において集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。
【００３６】
各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動部に接続される。スキャナ駆動部はスキャナ制御部に接続され、スキャナを制御する制御信号をスキャナ制御部から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動部は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動部は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動部の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。
（Ｚ軸スキャナ１４ｃの動作）
【００３７】
近年、２次元平面内で走査可能なレーザ加工装置のみならず、高さ方向に焦点距離を調整可能な、すなわち３次元状に加工が可能なレーザ加工装置も開発されている。しかしながら従来の３次元に印字可能なレーザマーカは、あくまでも２次元の平面印字の高さレベルを段階的に変更できるにすぎなかった。すなわち、曲面や傾斜面に印字できるレーザマーカは存在しなかった。一方で、缶のような曲面にも高品質に印字加工できるレーザマーカが要求されていた。そこで、本発明者らはＸ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナに加えて、焦点可変光学系としてＺ軸スキャナを設けることで焦点位置を調整可能とし、これによってワークの表面形状に沿って３次元状に加工可能なレーザ加工装置を実現した。
【００３８】
Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ光Ｌのスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ５３を構成している。すなわち、ビームエキスパンダで入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザ光のビーム径を拡大／縮小し、焦点位置も変化させることができる。ビームエキスパンダ５３は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図５に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ発振部から出力されるレーザ光Ｌのビーム径を調整すると共に、レーザ光Ｌの焦点位置を調整可能としている。Ｚ軸スキャナ１４ｃがワーキングディスタンスを調整する方法を、図８〜図１０に基づいて説明する。図８、図９はレーザ光走査系の側面図であり、図８はレーザ光Ｌの焦点距離を長くする場合、図９は焦点距離を短くする場合をそれぞれ示している。また図１０はＺ軸スキャナ１４ｃの正面図及び断面図を示している。これらの図に示すように、Ｚ軸スキャナ１４ｃはレーザ発振部側に面する入射レンズ１６と、レーザ出射側に面する出射レンズ１８を含んでおり、これらのレンズ間の距離を相対的に変化可能としている。図８〜図１０の例では、出射レンズ１８を固定し、入射レンズ１６を光軸方向に沿って駆動モータ等で摺動可能としている。図１０は出射レンズ１８の図示を省略して、入射レンズ１６の駆動機構を示している。この例では、コイルと磁石によって軸方向に可動子を摺動可能とし、可動子に入射レンズ１６を固定している。ただ、入射レンズ側を固定して出射レンズ側を移動可能としたり、入射レンズ、出射レンズを共に移動可能とすることもできる。
【００３９】
図８に示すように、入射レンズ１６と出射レンズ１８との間の距離を近付けると、焦点位置が遠ざかり、焦点距離（ワーキングディスタンス）が大きくなる。逆に図９に示すように入射レンズ１６と出射レンズ１８との距離を離すと、焦点位置が近付き焦点距離が小さくなる。
（焦点補正機能）
【００４０】
このようにして、ワーキングディスタンスを調整してレーザ光Ｌを走査することが可能で、３次元状に走査可能なレーザ加工装置が実現され、曲面状や段差状のワークＷ表面にも焦点距離を合わせた状態で高精度に印字加工できる。この様子を図１１に基づいて説明すると、従来のレーザ加工装置では、図１１において実線で示すようにレーザ光Ｌの焦点位置が固定されているため、印字加工可能な作業領域ＷＳの中心位置で焦点を合わせるようにワークＷを設置しても、レーザ光Ｌを走査させると中心から離れるほど焦点とワークＷとのずれが大きくなり（図１１右に示すレーザ光Ｌ’）、印字品質が安定しないという問題があった。具体的には図１２（ａ）に示すように、作業領域ＷＳ（印字可能エリア）中の印字位置に応じて印字の幅が異なってしまう。すなわち、作業領域ＷＳの中心近傍では、焦点位置がほぼワーキングディスタンスとほぼ等しいため印字幅の狭い高品質な印字加工が可能である反面、作業領域ＷＳの周辺近傍になるほど印字幅が太くなって印字品質が低下してしまう。
【００４１】
これに対して、本実施の形態に係るレーザ加工装置では、上述の通りＺ軸スキャナ１４ｃで焦点位置を調整可能な焦点補正機能を備えているため、図１１の左側において波線で示すように印字可能エリアのどの位置においてもレーザ光Ｌの焦点位置を調整でき、最小スポットでの印字加工が可能となる結果、図１２（ｂ）に示すように印字位置によらず印字の線幅変化を抑制した高品質な印字加工を可能としている。
【００４２】
このように、印字可能エリアのどの位置でも最小スポットで印字でき、パレット印字や大型銘板の捺印等の作業において、印字品質を高品質に安定して得ることができる。また加工用途で使用する場合も、加工状態を均一に維持することができる。この結果、ワークＷの形状によらず、均一な加工を行うことができ、例えば図１３（ａ）に示すように段差のあるワークＷや、図１３（ｂ）に示すようにワークＷ表面が曲面状であっても、また図１３（ｃ）に示すように傾斜していても、均一で高品質な加工を行うことができる。このように焦点補正機能によってワークＷの多様な形状に対して最適な印字が可能となり、さらに奥行きのあるゲートカットのような加工においても精度よく、綺麗な仕上げを行える。
【００４３】
さらに本実施の形態によれば、レーザマーカのレーザ出力部を構成するマーキングヘッド１５０から照射されるレーザ光Ｌの作業領域ＷＳを広く取りつつ、領域内での精密な加工が可能となる。図１４（ａ）に示すように、従来のレーザ加工装置では作業領域ＷＳ内の加工位置に応じて焦点位置の変化が大きいため、作業領域ＷＳを大きくする程この変化も大きくなり、レーザ光Ｌ’の焦点位置が加工位置から離れてしまうため、作業領域ＷＳの広域化にも不適であった。これに対して本実施の形態に係るレーザ加工装置では、図１４（ｂ）に示すように作業領域ＷＳを広くしても、各位置に応じて焦点位置を調整可能であるため、作業領域ＷＳを従来よりも広く取りつつ、スポット径を安定させて加工品質も確保できるという優れた特長を備える。
（設置支援機能）
【００４４】
さらに本実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、設置時や段取り替えの際の位置決め作業をも簡略化できる。図１５（ａ）に、従来のレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０を設置する例、図１５（ｂ）に本実施の形態に係るレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０を設置する例を、それぞれ示す。従来のレーザ加工装置のマーキングヘッド１５０は、レーザ光Ｌ’の焦点位置が固定されているため、ワークとマーキングヘッド１５０との間のワーキングディスタンスと焦点位置とが合致するよう、図１５（ａ）に示すようにマーキングヘッド１５０自体の設置高さを調整する調整機構１６０が必要となり、また調整作業に非常に手間がかかっていた。例えばマーキングヘッドが微妙に傾いている場合、加工精度を高めるためにネジ調整等で水平に補正し、必ず焦点位置と一致するように調整しなければならない。このために、各マーキングヘッド１５０毎に設置高さを微調整するための上下機構が必要となり、しかも調整作業を要し、設置機構が複雑になる上、極めて煩雑な作業を強いられていた。
【００４５】
これに対して、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置によれば、図１５（ｂ）に示すようにレーザ光Ｌの焦点位置を調整可能であるため、レーザ加工装置を設置する設置台１７０は、基準となるワーキングディスタンスに設定するだけで足りる。したがってマーキングヘッド１５０の上下機構を用意する必要も、そのような調整作業も不要とできる。このため、３次元印字可能なレーザ加工装置は、２次元の印字に利用する場合であっても、位置あわせが容易で、多少焦点距離がずれていたり、マーキングヘッドが傾いていても調整することができる。
【００４６】
また実際の設置状態は、サンプル印字モードを実行することによって、最適な印字状態のパターンを選択するのみで、焦点位置の設定も最適に調整できる。サンプル印字モードとは、レーザの走査速度やレーザ出力を変化させた複数の異なる条件を設定して、ワークに対して試験的に印字加工を行って印字見本を作成する。一の印字見本には、条件の異なる印字パターンが複数印字されているので、ユーザは様々な条件で印字された文字等から鮮明さや濃度、太さ等に基づいて、所望の条件を選択することができる。これによって、ユーザが望む最適の印字結果を得るための条件を容易に見出すことができる。
【００４７】
さらに、図１６（ａ）に示すように、従来はワークの角度に合わせてマーキングヘッド１５０自体も調整機構１６０Ｂ等で傾斜させて設置する必要があったが、本実施の形態に係るレーザ加工装置においては、表面が傾斜している等、角度を有するワークであっても図１６（ｂ）に示すように、マーキングヘッド１５０を水平に維持したまま正確に加工できるという特徴も有する。このように、非常に柔軟に各種アプリケーションに対応でき、しかも設置作業も容易であり印字加工精度も高いという極めて優れた特長を発揮できる。
【００４８】
なお、上記の例ではレーザ光走査系に、レーザ光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで３次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に３次元加工を行うこともできる。また、ステージをＸ軸あるいはＹ軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査系の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。
（レーザマーカのシステム構成）
【００４９】
次に図１７に、３次元印字可能なレーザマーカのシステム構成を示す。この図に示すレーザ加工システムは、マーキングヘッド１５０と、マーキングヘッド１５０と接続されてこれを制御するレーザ制御部１であるコントローラ１Ａと、コントローラ１Ａとデータ通信可能に接続され、コントローラ１Ａに対して印字パターンを３次元の３次元加工データとして設定する３次元加工データ設定装置１８０とを備える。３次元加工データ設定装置１８０は、図１７の例においてはコンピュータに３次元加工データ設定プログラムをインストールして、３次元加工データ設定機能を実現させている。３次元加工データ設定装置は、コンピュータの他、タッチパネルを接続したプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）や、その他専用のハードウェア等を利用することもできる。また３次元加工データ設定装置は、レーザ加工装置の動作を制御する制御装置として機能させることもできる。例えば、一のコンピュータに３次元加工データ設定装置とコントローラの機能を統合してもよい。
【００５０】
さらにコントローラ１Ａには、必要に応じて各種外部機器１９０を接続できる。例えばライン上に搬送されるワークの種別、位置等を確認するイメージセンサ等の画像認識装置、ワークとマーキングヘッド１５０との距離に関する情報を取得する変位計等の距離測定装置、所定のシーケンスに従って機器の制御を行うＰＬＣ、ワークの通過を検出するＰＤセンサその他各種のセンサ等を設置し、これらとデータ通信可能に接続できる。
（３次元加工データの設定）
【００５１】
平面状の印字データを３次元状に印字するための設定情報である３次元加工データは、３次元加工データ設定装置により設定される。図１８は、３次元加工データ設定装置の一例としてブロック図を示している。この図に示す３次元加工データ設定装置１８０は、各種設定を入力するための入力部３と、入力部３から入力された情報に基づいて３次元加工データを生成する演算部８０と、設定内容や演算後の３次元加工データを表示するための表示部８２と、各種設定データを記憶するための記憶部５Ａとを備える。入力部３は、ワークの印字面の３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段３Ａと、印字パターン情報を入力するための加工パターン入力手段３Ｂの機能を実現する。記憶部５Ａは、図１のメモリ部５に相当し、入力部３で設定されたプロファイル情報や印字パターン情報等の情報を記憶する部材であり、固定記憶装置等の記憶媒体や半導体メモリ等が利用できる。演算部８０はＬＳＩやＩＣ等で構成される。演算部８０は、印字面に印字パターンを仮想的に一致させるように、印字パターン情報を平面状から３次元空間座標データに変換する座標変換手段８０Ａの機能を実現する。
【００５２】
図１８の例では、３次元加工データ設定装置を専用のハードウェアで構成したが、これらの部材はソフトウェアでも実行できる。特に、図１７に示すように汎用のコンピュータに３次元加工データ設定プログラムをインストールして、３次元加工データ設定装置として機能させることもできる。また図１８の例では、３次元加工データ設定装置とレーザ加工装置とを個別の機器としたが、これらを一体的に統合することもできる。例えばレーザ加工装置に自体に３次元加工データ設定機能を付加することもできる。
（３次元加工データの設定手順）
【００５３】
次に、ワークの印字面に印字される印字パターンから、３次元加工データを生成して、レーザ加工装置に設定する手順について説明する。まず、本発明の実施の形態１として、ワークの表面形状を入力した後、この上に印字パターンを貼り付ける３次元加工データの設定手順について、図１９のフローチャート及び図２０〜図３４等の３次元加工データ設定プログラム２００のユーザインターフェース画面に基づいて説明する。なおこれらのプログラムのユーザインターフェース画面の例において、各入力欄や各ボタン等の配置、形状、表示の仕方、サイズ、配色、模様等は適宜変更できることはいうまでもない。デザインの変更によってより見やすく、評価や判断が容易な表示としたり操作しやすいレイアウトとすることもできる。例えば詳細設定画面を別ウィンドウで表示させる、複数画面を同一表示画面内で表示する等、適宜変更できる。またこれらのプログラムのユーザインターフェース画面において、仮想的に設けられたボタン類や入力欄に対するＯＮ／ＯＦＦ操作、数値や命令入力等の指定は、プログラムを組み込んだコンピュータに接続された入力部３で行う。本明細書において「押下する」とは、ボタン類に物理的に触れて操作する他、入力部によりクリックあるいは選択して擬似的に押下することを含む。入力部等を構成する入出力デバイスはコンピュータと有線もしくは無線で接続され、あるいはコンピュータ等に固定されている。一般的な入力部としては、例えばマウスやキーボード、スライドパッド、トラックポイント、タブレット、ジョイスティック、コンソール、ジョグダイヤル、デジタイザ、ライトペン、テンキー、タッチパッド、アキュポイント等の各種ポインティングデバイスが挙げられる。またこれらの入出力デバイスは、プログラムの操作のみに限られず、レーザ加工装置等のハードウェアの操作にも利用できる。さらに、インターフェース画面を表示する表示部８２のディスプレイ自体にタッチスクリーンやタッチパネルを利用して、画面上をユーザが手で直接触れることにより入力や操作を可能としたり、または音声入力その他の既存の入力手段を利用、あるいはこれらを併用することもできる。
【００５４】
まずステップＳ１１で、印字面の３次元形状を入力部から入力する。ここでは、加工面プロファイル入力手段３Ａから、ワークの３次元情報であるプロファイル情報を入力する。加工面プロファイル入力手段３Ａとしては、
（１）３次元形状を入力可能なプログラム上から、ワークを作画して指定する方式
（２）ワークの形状を特定するためのパラメータを、対話形式でユーザに入力させる方式
（３）ワークの形状に予め作成された３Ｄデータのデータファイルを入力して変換する方式
（４）ワークの形状を実際にイメージセンサ等の画像認識装置で読み込んで取得する方式
等が挙げられる。
【００５５】
（１）の方法では、プログラム上からワークの形状を作図して指定するものである。図２０に、ワークＷの３次元形状を入力するワーク３次元形状設定プログラム２１０のユーザインターフェース画面の一例を示す。例えば既存の３次元ＣＡＤや３次元モデリングツール等が備える３次元形状の造形に必要な機能と同様のプログラムやツール類を利用して、ユーザはＣＡＤと同様の感覚で３次元形状を作成する。作成した形状は、一旦ファイルに保存して３次元加工データ設定プログラムに転送する。あるいは、作成したデータを直接３次元加工データ設定プログラムに貼り付けて利用する。（１）の方法は、３次元形状の作図に慣れたユーザであれば容易に利用できる反面、このような作図に不得手なユーザには敷居が高いという問題がある。
【００５６】
一方、（２）の方法は、ウィザード方式のように、必要な情報を対話形式でユーザに指定させることで形状を特定する方法である。この方法は、３次元作図に関する知識が不要であるため、利用しやすいという利点がある。図２１に、このようなワーク形状設定ウィザード２２０の一例を示す。この例では、左欄を「図形選択」欄２２２、中欄を「入力パラメータ説明」欄２２４、右欄を「パラメータ入力」欄２２６としている。「図形選択」欄２２２では、ワークの形状として一般的な直方体・立方体・円柱・円錐・六角柱・球・ペットボトル形状等を図形イメージで例示し、いずれかをユーザに選択させる。この例では円柱を選択している。図形が選択されると、これに対応して指定すべき入力パラメータが決定される。図の例では円柱を特定するために、直径と高さの指定が必要となり、「入力パラメータ説明」欄２２４で円柱の直径と高さを図示すると共に、「パラメータ入力」欄２２６で「直径を入力して下さい」、「高さを入力して下さい」等のメッセージを表示して、これらの入力パラメータの指定を促す。入力パラメータは、選択された図形によって変更され、例えば直方体では高さと幅と奥行き、立方体では一辺の長さ、円錐では底面の直径（又は半径）と高さ、六角柱では底面の一辺長さと高さ、球では直径、ペットボトルでは太い部分の直径、細い部分の直径、全体高さ、太い部分の長さ、細い部分の長さ、といったように、形状とを特定するための入力パラメータが適宜指定される。このようにして指定された形状は、保存され、あるいは直接３次元加工データ設定プログラムに貼り付けて利用される。さらに、ワーク形状設定ウィザード２２０で指定された形状をさらに（１）３次元加工データ設定プログラムで読み込んで、再編集することもできる。あるいは、３次元加工データ設定プログラムで保存された形状を、ワーク形状設定ウィザード２２０の図形選択の候補として登録してもよい。
【００５７】
次に（３）の方法は、予め３次元ＣＡＤ等の別プログラムで作成されたワークのデータファイルを変換して利用するものである。この方法では、既に作成されたデータを利用できるので、ワークの形状指定作業を大幅に省力化できる。図２２に、ＣＡＤファイル変換画面２３０の一例を示す。この例では、左欄にデータファイルを選択するための「ファイル選択」欄２３２、中欄に「ファイル選択」欄２３２で選択されたファイルの内容を確認するための「ビューワ」欄２３４、右欄に変換して取り込みを実行するための「変換」ボタン２３６を配置している。「変換」ボタン２３６を押下すると、「ファイル選択」欄２３２で選択されたデータファイルが３次元加工データ設定プログラムで読み込み可能な形式に変換されて取り込まれる。ＣＡＤファイル変換画面２３０で読み込み可能なデータファイル形式は、ＤＸＦ、ＩＧＥＳ、ＳＴＥＰ、ＳＴＬ、ＧＫＳ等、各種の汎用的なフォーマットが利用できる。またＤＷＧ等、特定のアプリケーションの専用フォーマットを直接入力して変換することもできる。
【００５８】
さらに（４）の方法では、ワークをイメージセンサ等で読み込んで画像認識等の方法で自動的にデータを取得する。この方法では、３次元データの作図やファイルに関する知識は一切不要で、ユーザは図２３に示すようにイメージセンサＩＭＧで読み込み可能な所定の位置にワークＷを配置し、形状取得命令を実行するだけで、自動的にワークの形状が３次元加工データ設定プログラムに取り込まれる。イメージセンサＩＭＧは、ＣＣＤカメラやＣ−ＭＯＳカメラ等が利用できる。さらに、イメージセンサに代わって撮像済の画像ファイルや写真等からイメージスキャナでワークの形状を取り込むことも可能である。また取得したイメージからワークの形状を取得するアルゴリズムは、既知の画像認識アルゴリズムが適宜利用できる。
【００５９】
以上のようにしてワークの形状を３次元加工データ設定プログラムに入力すると、３次元加工データ設定プログラムの画面上に入力されたワークが表示される。３次元加工データ設定プログラム２００のユーザインターフェース画面の一例を図２４に示す。この例では、画面左に３次元印字データの編集状態を表示する編集表示欄２０２が設けられ、また画面右は後述する印字文字列等の印字パターン入力欄２０４である。編集表示欄２０２は編集状態のプレビューを表示する。図２４の例ではワークの２次元図（ここでは横置き姿勢の円柱の平面図）が表示されており、ユーザはマウス操作や座標指定によりワークの表示倍率や姿勢、配置等を任意に変更できる。編集表示欄２０２は、表示されるサイズに応じて画面をスクロール表示できる。さらに編集表示欄２０２の右下には、３次元加工データを立体的に示す３次元ビューワ欄２０６が表示される。図２４の例では３次元ビューワ欄２０６にはワークＷである円柱の斜視図が示される。３次元ビューワ欄２０６で表示されるワークＷは、好ましくは姿勢や角度の変更、回転、倍率変更等の操作を可能とする。例えば３次元ビューワ欄２０６上からワークＷを直接ドラッグして回転、移動させる。
【００６０】
なおこれらの表示は一例であり、各欄のレイアウトや大きさ、位置関係等は任意に変更可能であることは言うまでもない。例えば各欄を別ウィンドウで表示させてもよい。ユーザは３次元加工データ設定プログラムから、後述する印字パターンをワークのどの面に印字を行うか、すなわち印字面を指定する。なお上記ではワークの全体形状を入力する例を説明したが、必ずしもワークの全体形状を入力する必要はなく、加工面である印字面を含む部位の形状を指定するだけでもよい。
【００６１】
以上のようにして図１９のフローチャートにおけるステップＳ１１で、印字したい印字面の立体情報を指定した後、ステップＳ１２で、印字パターン情報を入力部から入力する。ここでは、加工パターン入力手段３Ｂから印字文字列やイメージを指定する。図２５に、３次元加工データ設定プログラム２００で印字パターン情報を入力する例を示す。この図において、加工パターン入力手段３Ｂは印字パターン入力欄２０４で実現される。印字パターン入力欄２０４の中段には、加工パターンの種別を指定する「種類」欄２０４ａや文字列を入力するための「文字入力」欄２０４ｂ、印字したい文字データの種類や単線・太線といった線種等詳細を設定するための複数のタブを備える詳細設定欄２０４ｃ等が設けられる。「種類」欄２０４ａでは、加工パターンを文字列、ロゴ・図、加工機動作のいずれかから選択する。この例では「種類」欄２０４ａで「文字列」を選択し、「文字入力」欄２０４ｂから印字したい文字列として「ＡＢＣＤ」を入力すると、左欄の編集表示欄２０２に編集中の文字列「ＡＢＣＤ」が平面状に表示される。
【００６２】
次に、ステップＳ１３で加工パターン情報を３次元空間座標データに変換する。この例を図２６〜図２７に基づいて説明する。まず図２６に示すように、編集表示欄２０２で編集中の文字列「ＡＢＣＤ」を移動させてワーク上に重ねるよう配置する。編集中の文字列の移動は、マウスのドラッグ等の操作によって感覚的に行う他、座標で正確に指定することもできる。例えばマウス操作の場合は、マウスの左クリックで文字列を選択すると、文字列を囲むように枠が表示され、枠をドラッグして移動可能とできる。また枠の各辺にはハンドルが表示され、これを操作することで拡大／縮小や回転等変形させることができる。一方、座標での指定は、詳細設定欄２０４ｃの「サイズ・位置」タブ２０５を選択して、ブロック座標のＸ座標、Ｙ座標を指定する。また必要に応じて、印字文字列の文字サイズ等の調整を行う。印字文字列の位置が決定されると、印字文字列の印字面への貼り付けを行う。ここでは、図２７に示すようにマウスの右クリックで表示される右クリックメニュー２０７から「フィッティング」を選択すると、貼り付け動作が実行される。すなわち、立体情報を持たない加工パターンを、立体情報を持つ印字面に仮想的に一致させるように、座標変換を行って加工パターン情報から３次元空間座標データを生成する。この処理は演算部８０の座標変換手段８０Ａが行う。これによって、ワークの表面に印字文字列が貼り付けられ、３次元ビューワ欄２０６には印字パターンが立体的に表示されると共に、編集表示欄２０２ではワーク上の文字列が、３次元データに変換される結果、左右が多少歪んで表示される。
【００６３】
また、上記のようなフィッティング操作によって平面状の印字文字列を立体形状に変形させる他、印字文字列をマウスでドラッグすることで、ワークの立体形状に従って印字文字列を変形させ、さらにこの様子をリアルタイムに表示させることもできる。この様子を図ａ〜図２９に基づいて説明する。図ａは、貼り付けたい図形をマウスでドラッグする状態を示す。図ａの例では、文字列ＡＢＣＤのグループを示す枠をマウスで選択し、ワークである円筒の側面に載せるよう左から右にドラッグする。そして図２９に示すように、文字列の枠がワークの立体表面に重なると、重なった部分は表面に張り付くようにリアルタイムに文字列が変形する。また画面右下の３次元ビューワ欄２０６で表示されるワークの斜視図上でも、リアルタイムに変形する様子を表示させてもよい。この方法によれば、ユーザはリアルタイムに変形する文字列を確認できるので、意図した位置に配置することがさらに容易となる。このような座標演算には、一般に大量の演算処理が必要であるが、処理能力の低いコンピュータを使用する場合等では、印字文字列を囲む枠のみをワークの立体形状に従って変形させ、文字列自体の変形表示を省略させることもできる。これにより演算量を低減でき、低負荷での操作を実現してユーザの操作時のストレスを低減できる。
（フィッティングしない場合）
【００６４】
なお、加工パターンをワークに貼り付けるフィッティング操作を行わないこともできる。この場合、Ｘ、Ｙ座標はそのままで維持され、Ｚ方向のみ調整される。この結果、加工パターンはゆがんで印字されることとなるが、特定の方向からみれば正しく読めるようになる。例えばバーコードを印字する場合、曲面に一致するように正しく印字すると、バーコード読み取り時に特定方向から読み取り光線を照射すると、ナロー幅や細太化が異なってしまうことがある。これを防止するため、フィッティングによる座標調整を行わず、印字加工の際に正しく加工できるように高さ方向のみ調整することで、印字されたバーコードを特定の一点から読み取りを行うと正しく読み取れるようにできる。
【００６５】
このようにしてステップＳ１３で３次元空間座標データが得られた後、ステップＳ１４で必要に応じて調整作業が行われる。例えばレイアウトの調整や高さ方向（ｚ方向）への微調整が挙げられる。微調整には、プログラム上に設けられたバーでのスライド調整やマウスのホイール回転等の手段が利用できる。
【００６６】
以上の手順で最終的な３次元加工データが生成され設定作業が終了した後、得られた３次元加工データを３次元加工データ設定プログラム２００からレーザ加工装置のコントローラ１Ａに転送する。転送の実行には、３次元加工データ設定プログラム２００の画面左下に設けられた「転送・読出し」ボタンを押下する。
【００６７】
レーザ加工装置では、３次元加工データに基づいて印字加工を行う。また実際の加工開始に先立って、テスト印字を行わせてもよい。これにより、所望の印字パターンの印字が得られるかどうかを事前に確認することができる。またテスト印字結果に基づいて、さらに３次元加工データを再設定することもできる。
【００６８】
以上の例では、一のワークに一の印字パターンを指定する例を説明したが、同様の手順を繰り返すことにより一のワークに複数の印字パターンを指定することもできる。また、３次元加工データ設定プログラムの一画面にワークを一のみを表示する構成に限られず、一画面に複数のワークを表示させて、それぞれのワークに印字パターンを指定することもできる。
（印字文字列の文字毎の３次元加工データを作成する手順）
【００６９】
ここで、３次元加工データを作成するアルゴリズムとしては、３次元印字に必要な文字ごとの３次元配置データを作成する方法、ワークを平面図に展開する方法、テクスチャマッピングを利用する方法等が利用できる。以下、これらについて順に説明する。
【００７０】
まず、ユーザが指定したワークの立体形状と、その上に配置する２次元の印字情報から、３次元加工データ設定プログラムで３次元印字に必要な文字ごとの３次元配置データを作成する方法について説明する。本実施の形態では、３次元加工データを作成する作業を、図３０に示すように、３次元加工データ設定プログラムでのソフトウェア処理と、ハードウェア処理（ここでは演算部８０を構成するＦＰＧＡでの処理）と、レーザ加工装置１００での処理とに分散している。
【００７１】
まず３次元加工データ設定プログラムでは、印字文字列の内容を管理し、その文字サイズや文字間隔、文字形状といった２次元情報と、印字対象のワークの３次元形状を記した３次元情報とに基づいて、文字列を構成する各文字毎に、３次元上ではどのように写像されるかを演算する。さらに文字毎の高さ方向における傾き、写像後の座標情報等を演算する。
【００７２】
演算部８０では、指定された文字列の内容を点データに変換し、この変換データと、２次元情報と、上述した３次元加工データ設定プログラムで演算された文字毎の傾き、座標情報等に基づいて、任意の方向に縮小して文字列の配置位置へＡｆｉｎ変換し、平面上に写像される位置を計算する。さらに、変換されたデータからＸスキャナ、Ｙスキャナを制御するＸＹスキャナ制御情報を生成する。また一方で、３次元情報に基づいてＺスキャナを制御するＺスキャナ制御情報を生成する。
【００７３】
レーザ加工装置１００では、ＸＹスキャナ制御情報、Ｚスキャナ制御情報に基づいてスキャナを制御して印字を行う。
（文字列の貼り付けアルゴリズム）
【００７４】
上述したワークの立体面上に文字列を貼り付けるマッピングのアルゴリズムについて、以下詳述する。初めに２次元で指定された文字列の配置方法、例えば横書き、縦書き、円弧配置等を３次元に拡張する際に、その文字列配置の基準を考える。ここでは、基準点と、文字を並べる基準となる直線である基準線に基づいて文字列を配置している。例えば、横書きであれば基準線は文字が並ぶ方向に沿った直線、円弧であれば中心から半径分の直線、といったように、すべて基準線と、基準線上の距離にて文字の配置が決められる。一方、３次元で基準線を考える際は、高さ情報を持つＺ軸座標マップの表面を通る最短の経路で、基準線を定義する。これは、Ｚ軸座標マップを展開して２次元平面にしたときの基準線と同じとなり、このような基準線を求めることで、文字列の配置が決定される。
【００７５】
一例として、図３１に示すようなワークＷに文字列「あいう」を印字するために、３次元印字データを生成する手順を考える。このワークＷは図３１（ａ）の平面図、図３１（ｂ）の斜視図に示すような形状であり、立体形状を三角形の組み合わせで近似している。この図３１（ｂ）に示すワークＷ上に、線分ＡＢＣＤＥＦＧＨを基準線として文字列「あいう」を印字するものとして、そのための３次元印字データの生成を検討する。この基準線ＡＢＣＤＥＦＧＨの経路を含む三角形を２次元状に表示すると、図３１（ｃ）のようになる。したがって文字列「あいう」は、この基準線に沿って印字されることになる（図３１（ｃ）参照）。
【００７６】
この基準線について、まず線分ＡＢは、図３１（ｂ）、（ｃ）に示すように所定の基準点、ここでは基準線の始点Ａから、ユーザの指定した方向、すなわちＢ点に向かう。線分ＡＢが三角形の辺と交差する際の角度が、次の線分ＢＣの入射角になると考え（図３１（ｄ））、各三角形の辺のどの点で交差しているかを検出することで、この線分ＡＢＣＤＥＦＧＨの処理は、２次元上で１つの三角形の処理の繰り返しとして処理できる。またワークＷの立体表面形状は三角形で近似されているので、各三角形は３次元上での辺の距離に基づいて２次元データとして扱える。ただ、基準点Ａのみについては３次元から２次元への変換を行わなければならないが、それ以外は２次元上で計算できる。基準線ＡＢＣＤＥＦＧの演算の際は、順次処理された距離を累積して、ユーザの指定する文字間隔をｎとし、整数ｋ（ｋ≧０）とすると、上記累積距離ｋｎのところに文字の中心がくるように配置する。以上のようにして、基準線を３次元状に配置することができるので、基準線の３次元印字データが得られた後、この基準線に基づいて、文字列を配置していく。なお基準線は、文字列の中心を通るものとして文字列を配置している。ただ、基準線は文字列の中心に限られず、文字列の下端や上端等の所定の位置とすることもできる。
【００７７】
また、文字列の高さ方向の傾きは、表面形状を近似した三角形の傾きをそのまま採用すると、巨視的に見た場合の傾きと一致しない可能性があるので、隣接する三角形の傾きを平均する等によって演算することが好ましい。例えば文字幅に相当する程度の三角形を抽出して、平均化する。この方法では、文字列を構成する文字毎に印字面がどう傾斜しているのかを演算するため、完全に正確にワーク表面に貼り付けられる訳ではない。ただ、近似演算として実用に耐える制度で印字でき、また処理自体も比較的簡単であり高速に行えるという利点が得られる。
【００７８】
以上の例では、直線状に文字列を配置する例について説明したが、例えば文字列を円弧状に配置する場合は、基準線の管理を、円弧の半径として行うことで同様に処理できる。
（ワークを平面図に展開）
【００７９】
次に、平面展開可能なワークの立体形状とその上に配置する２次元の印字データから、ハードウェアで写像位置を演算する方法について説明する。この方法では、立体表面に正確に印字データを貼り付けることができるが、ワークが平面展開可能な立体形状である場合にしか利用できない。以下、図３２に基づいて説明すると、この方法でも３次元加工データを作成する作業を、３次元加工データ設定プログラムでの処理と、演算部８０を構成するＦＰＧＡでの処理と、レーザ加工装置１００での処理とに分散している。まず３次元加工データ設定プログラムでは、上記と同様に印字文字列の内容と、その文字サイズや文字間隔、文字形状といった２次元情報の他、ワークの形状として、斜面や円柱、円錐等、平面図に展開可能な形状情報を管理する。平面展開可能な形状情報は、例えば斜面の法線ベクトル、円柱の半径、中心軸のベクトル情報、印字空間座標での配置位置情報等である。
【００８０】
演算部８０では、上記の２次元情報と３次元情報に基づいて、印字文字列を構成する文字毎に、３次元上ではどのように写像されるかを演算する。この演算結果から、Ｚスキャナを制御するＺスキャナ制御情報を生成する。一方、指定された文字列の内容を点データに変換し、この変換データと、上記写像結果に基づいて、写像後の文字列の配置位置にＡｆｉｎ変換し、平面上に写像される位置を計算し、さらに、変換されたデータからＸスキャナ、Ｙスキャナを制御するＸＹスキャナ制御情報を生成する。
【００８１】
レーザ加工装置１００では、ＸＹスキャナ制御情報、Ｚスキャナ制御情報に基づいてスキャナを制御して印字を行う。
【００８２】
この方法では、ワークに貼り付けたい２次元の文字情報と、展開図に展開可能なワークの立体形状から、２次元データがどの座標に写像されかを、数学的に容易に演算できる。
（テクスチャマッピングを利用する方法）
【００８３】
さらに、テクスチャマッピングを利用することでも、３次元加工データを作成できる。テクスチャマッピングは、３ＤＣＧの作成等に一般的に用いられる手法と同様の手法が適用できる。この方法では、基本的に２次元の点情報が３次元のワーク表面のどこに配置されるかの演算を繰り返して、３次元ワークの表面上、正確には３次元ワークを２次元的に仮想表現した２次元平面上に、２次元の印字パターンを近似的に貼り付ける。
【００８４】
既存のレーザマーカの制御システムでは、線分・円弧の情報を印字直前にＦＰＧＡ等の演算部８０で点情報に変換して、ガルバノスキャナの制御データとしている。これは、線分・円弧の座標変換処理をソフトウェア演算で行うと処理時間が間に合わなくなるため、および点情報のデータ量が膨大になるためであり、ガルバノスキャナを制御する直前で点データに変換して、データ転送速度に間に合わせている。
【００８５】
これに対して、テクスチャマッピングを利用する手法は、ある点座標がどこの点座標に変換されるのかを計算する手法であるため、既存のレーザマーカシステムに搭載するには、ハードウェアで点情報に変換する過程で、変換元の線分・円弧データと、３次元形状のデータから順次テクスチャマッピングを行い、３次元物体表面に印字する座標データに変換することができる。
（実施の形態２）
【００８６】
以上の方法では、印字面の３次元情報を指定した後、この表面に一致させるように印字パターンの座標変換を行って３次元加工データを得ている。ただ、このように印字面の３次元形状を基準とした指定に限られず、例えば印字面を指定することなく直接印字パターンを３次元状に指定する方法でもよい。次に、本発明の実施の形態２に係る３次元加工データの設定手順を、図３３のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ２１で、印字パターンをワークの加工面に一致させるように設定した空間位置・形状情報パラメータを設定する。空間位置・形状情報パラメータの設定方法としては、
（１）３次元形状を入力可能なプログラム上から行う方式
（２）外部機器１９０とのデータ通信により行う方式
（３）加工パターンの空間位置・形状情報パラメータが記録されたデータファイルを読み込む方式、等が挙げられる。
【００８７】
（１）の方式は、プログラムで印字パターンの３次元形状（立体形状）を作図して指定するものである。図３４に、印字パターンの３次元形状を入力する印字パターン３次元形状設定プログラム３００のユーザインターフェース画面の一例を示す。このプログラムも、図２０等と同様に既存の３次元ＣＡＤや３次元モデリングツール等が備える３次元形状の造形に必要な機能と同様のプログラムやツール類を利用して、ユーザはＣＡＤと同様の感覚で３次元形状を作成する。図３４の例では、図２６のワーク３次元形状設定プログラム２１０とほぼ同様の入力欄やツールを備えている。言い換えると、図２６、図３４に示す３次元形状設定プログラムは、ワーク３次元形状設定プログラム２１０と印字パターン３次元形状設定プログラム３００の機能を備えている。もちろん、ワーク３次元形状設定プログラムと印字パターン３次元形状設定プログラムを個別のプログラムとすることも可能である。
【００８８】
以下、図３４の印字パターン３次元形状設定プログラム３００で空間位置・形状情報パラメータを設定する手順を説明する。まず画面右欄の印字パターン入力欄３０４の「文字入力」欄３０４ｂから印字文字列を入力する。例えば「ＡＢＣＤ」を入力すると、画面左欄の編集表示欄３０２に編集中の文字列「ＡＢＣＤ」が平面状に表示される。
【００８９】
次にこの印字文字列の空間配置と文字レイアウトに必要なパラメータを、詳細設定欄３０４ｃから指定する。パラメータとしては、文字高さ・文字幅・文字間隔といった文字サイズに関する情報、文字の均等配置の有無、横書き・縦書き・円弧状の内周／外周・印字角度といった文字列パターンのブロックに関する情報、印字文字列の開始点・中心点等の座標、円弧状に変形させる場合の中心軸座標・半径・開始角度・円弧長さ等が挙げられる。これらのパラメータは、ワークの印字面の形状に応じて設定可能な項目も適宜変更される。またパラメータの値は、ユーザが数値で直接入力する他、編集中の印字文字列をマウス操作で選択して文字列形状を変形させることで、これに応じてパラメータを自動入力する方法が利用できる。図３４の例では、図２４等と同様に円柱状のワークに印字するために、印字パターンを円弧状の立体形状として指定している。これらのパラメータの入力に応じて、３次元ビューワ欄３０６で表示される印字パターンの斜視図では、円弧状に表現された印字パターンが表示され、例えば円弧の半径のパラメータの数値を変更すると円弧状を維持しつつ曲面が変化し、編集中でも現在の指定を視覚的に確認できる。さらに編集表示欄３０２でも、パラメータの指定に応じて編集中の文字列「ＡＢＣＤ」の平面図が、端部を若干変形した状態に表示され、平面図での表示状態を確認できる。
【００９０】
以上の例では、一の印字文字列に対して配置を指定する場合を説明した。この例に限られず、複数個の文字列に対して空間配置のパラメータを指定することもできる。例えば二段書きで表現された文字列を一括して指定してもよい。また文字列としてでなく、文字毎、あるいは文字を構成する線分の要素毎にベクトル情報を指定するといった方法も適宜利用できる。
【００９１】
このようにして、印字文字列に直接３次元情報を付与する。この方法は、３次元ＣＡＤ等と同様の感覚で印字パターンの空間位置・形状情報パラメータを設定できる。また、２次元の作図の延長上で印字パターンを入力できるため、３次元の作図に不慣れなユーザにも敷居が低いという利点がある。
【００９２】
一方、（２）の外部通信からの入力方法は、印字文字列やその他必要なパラメータをコンピュータやＰＬＣ、シーケンサ等の外部機器１９０からコントローラ１Ａに送信して設定する。コントローラ１Ａが外部機器１９０とデータ通信して設定情報を受信し、これをレーザ加工装置に送出する構成を、図３５のブロック図に示す。この図に示す例では、コントローラ１ＡのＣＰＵ９２はＦＩＦＯバッファを介して通信ポート９３を制御し外部機器１９０と通信を行い、設定情報を受信してＲＡＭ等のメモリ９４に保存し、この設定情報を通信ポート９５を介してレーザ加工装置に送出する。通信方式としては、ＲＳ−２３２ＣやＲＳ−４２２Ａ、ＵＳＢ等が利用できる。この方法では、外部機器１９０から必要な設定情報を取得できるので、レーザ加工システム側での３次元加工データ設定の負担を軽減できる。
【００９３】
また（３）のデータファイルを読み込む方式では、印字文字列やその他必要なパラメータを記述したファイルを３次元加工データ設定プログラム３００にインポートすることで、設定を取得できる。この方法では、予め別プログラム等で設定に必要な印字文字列や配置情報等のパラメータを記述してファイルに保存し、このファイルを３次元加工データ設定プログラム３００で読み込む。ファイルを読み込む例を図３６に示す。このように、ファイル選択ダイヤログ３１０を開き、設定に必要な情報を記録したファイルを指定して選択することで、自動的に必要な情報が取り込まれて３次元加工データ設定プログラム３００が設定を生成する。読み込み可能なファイル形式としては、ＣＳＶ、ＸＭＬ等の汎用的なデータ交換ファイル形式の他、専用のファイル形式としてもよい。この方法も、設定を自動的に生成できるのでレーザ加工システム側での３次元加工データ設定の負担を軽減できる。
【００９４】
以上のようにして、図３３のフローチャートのステップＳ２１において空間位置・形状情報パラメータを設定が終了すると、ステップＳ２２で前記ステップＳ１４と同様に各種調整を必要に応じて行う。これによって３次元加工データを生成することができ、以降は図１９と同様に３次元加工データを３次元加工データ設定プログラム３００からレーザ加工装置１００のコントローラ１Ａに転送し、印字加工やこれに先立ちテスト印字を実行する。
【００９５】
このように、本発明の実施の形態によれば、ワークに印字パターンを貼り付ける、あるいはワーク無しで印字パターンを直接湾曲させる等の方法で、印字パターンを３次元的に変形させた３次元加工データを指定できる。
（調整手段）
【００９６】
以上のようにして３次元加工データ設定プログラム３００で３次元加工データ設定が行われると、コントローラ１Ａ側に設定情報が送出されてレーザ加工装置で実際の加工が可能となる。実際の印字の際には、印字面の変動に応じて印字位置を調整したり、ワークの種別に応じて印字の設定を変更するといった調整作業が行われる。次に、このような調整作業を実現する調整手段について、図３７に基づいて説明する。図３７は、コントローラ１Ａが調整手段を構成するブロック図を示している。この例に示す調整手段は、
（１）ワーク高さを測定して印字位置を調整する
（２）画像認識で印字位置を調整する
（３）３次元形状プリセットでワーク形状を切り替える
といった機能を実現できる。以下、これらについて順次説明する。
（ワーク高さを測定して印字位置を調整）
【００９７】
一方、ライン上をコンベア等で搬送されるワークは、図３８に示すようにコンベアの状態やワークの配置の仕方、個体差等に起因して高さにばらつきがあると、印字面の高さが変動する。例えばワークが浮いたりワークの厚みがばらつくと印字結果が異なってしまう。この結果、３次元加工データで設定された高さと実際の高さが異なり、精密な印字結果が得られないおそれがある。
【００９８】
このような高さ方向の変動に対応するため、本実施の形態では、実際のワーク高さをセンサ等で測定し、その変動に応じて印字位置を調整する。具体的には、ワークのＺ座標位置情報、すなわち高さ方向の距離情報を外部機器１９０で取得して印字の座標位置を調整している。ここでは変位計等の距離測定装置でワークの高さを測定し、距離測定装置から出力される距離情報に応じて外部入力電圧がコントローラ１Ａに入力される。コントローラ１Ａはこの電圧値を通信ポート９３を介して入力し、Ａ／Ｄ変換器９６でデジタル値に変換する。一方コントローラ１Ａとレーザ加工装置１００とは、各々通信ポート９５、９７を介してデータ通信可能に構成されており、デジタル変換された距離情報は通信を介してレーザ加工装置１００に送出される。レーザ加工装置１００はこの情報に基づいてＺ軸スキャナ１４ｃを制御することで、ワークが上下方向に変動してもレーザ光の焦点位置を印字面に正しく適応させた印字が可能となる。従来、ワークの高さ方向の変動に対しては、ワーク毎に手動で高さ方向の調整を行う必要があったが、本実施の形態によれば、センサ等で検出して、あるいは事前に設定を行うことで、自動的に高さ方向のオフセットを調整して、簡単且つ確実に高品質な印字が得られるという利点がある。
（画像認識で印字位置を調整）
【００９９】
また、高さ方向の調整の他、図３９に示すようにＸ、Ｙ方向への位置ずれの補正も必要となる。このため本実施の形態では、画像認識装置で実際のワークの印字位置を測定し、この位置と３次元加工データで設定された設定位置とのＸ、Ｙ方向のズレを検出してレーザマーカにフィードバックを行い、印字座標を調整する。これによって、ワークの位置ずれがあっても個々に正しい位置に印字することが可能となり、上記のＺ方向の調整と合わせて精密な印字が実現される。
（形状プリセット）
【０１００】
一方、ライン上に搬送されるワークの種別を変更したいことがある。このような場合に複数のワークに対する３次元加工データを用意すると共に、複数の３次元形状プリセット情報を、搬送されるワークに応じて切り替える。図４０に、設定の切り替えを実現するコントローラ１Ａのブロック図の一例を示す。情報の切り替えには、外部機器１９０から切替信号を入力すること等により行える。例えば、ワークの形状に応じて３次元形状プリセット情報に番号を割り当てておき、この番号を外部機器１９０からの外部入力信号端子で指定することで、設定を切り替える。またセンサでワークの種別を検出することも可能で、例えば位置のライン上に飲料ペットボトルと缶とを混在させて搬送させても、ワークの種別を検出してそれぞれに応じた設定を選択して印字を行うことができる。
【０１０１】
なお上記の例では、コントローラ１Ａは外部機器やレーザ加工装置とデータ通信可能な状態に接続されているが、通信を行うことなく電気信号のＩ／Ｏのみで接続することも可能であることはいうまでもない。
【０１０２】
以上のように、本実施の形態によれば、文字配置面の傾き情報から、印字時に文字データを変形してＸＹＺ方向にレーザマーカのスキャナを制御している。これを実現するために、文字配置面の傾き情報や曲率等から、文字を変形するためのパラメータの演算処理を３次元加工データ設定プログラムや演算部等で行っている。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の３次元加工データ設定装置、３次元加工データ設定方法、３次元加工データ設定プログラム、コンピュータで読み取り可能な記録媒体及び記録した機器並びにレーザ加工装置は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理等、立体形状を有する立体の表面にレーザ照射を行う処理において、立体形状の設定に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】走査部におけるＸ・Ｙ軸スキャナの配置状態を示す透明斜視図である。
【図３】従来のレーザビームの伝搬系を示す説明図である。
【図４】図１のレーザ励起部の内部構造を示す斜視図である。
【図５】レーザ加工装置のレーザ光走査系を含むマーキングヘッドの構成を示す斜視図である。
【図６】図５を背面方向から見た斜視図である。
【図７】図５を側面から見た側面図である。
【図８】焦点距離を長くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。
【図９】焦点距離を短くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。
【図１０】Ｚ軸スキャナを示す正面図及び断面図である。
【図１１】レーザ加工装置のレーザ光の焦点位置が、作業位置において変化する状態を説明する説明図である。
【図１２】作業領域中の位置に応じて加工状態が異なることを説明する説明図である。
【図１３】ワークの表面形状に応じてレーザ光の焦点位置を調整する様子を説明する説明図である。
【図１４】作業領域内の加工位置に応じて焦点位置が変化する様子を説明する説明図である。
【図１５】従来のレーザ加工装置のマーキングヘッドを設置する状態を示す説明図である。
【図１６】ワークの角度に合わせてマーキングヘッドを傾斜させて設置する例を説明刷る説明図である。
【図１７】３次元印字可能なレーザマーカのシステム構成を示すブロック図である。
【図１８】３次元加工データ設定装置を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に係る３次元加工データの設定手順を示すフローチャートである。
【図２０】ワークの３次元形状を入力するワーク３次元形状設定プログラムのユーザインターフェース画面を示すイメージ図である。
【図２１】ワーク形状設定ウィザードを示すイメージ図である。
【図２２】ＣＡＤファイル変換画面を示すイメージ図である。
【図２３】イメージセンサでワークを検出する状態を示す斜視図である。
【図２４】３次元加工データ設定プログラムのユーザインターフェース画面を示すイメージ図である。
【図２５】図２４の３次元加工データ設定プログラムで印字パターン情報を入力する様子を示すイメージ図である。
【図２６】図２５の３次元加工データ設定プログラムで印字文字列を移動させる様子を示すイメージ図である。
【図２７】図２６の３次元加工データ設定プログラムで印字文字列の印字面への貼り付けを行う様子を示すイメージ図である。
【図２８】文字列の変形をリアルタイムに表示する様子を示すイメージ図である。
【図２９】文字列の変形をリアルタイムに表示する様子を示すイメージ図である。
【図３０】印字文字列の文字毎の３次元加工データを作成する手順を説明する説明図である。
【図３１】３次元のワークに文字列「あいう」を印字する様子を説明する説明図である。
【図３２】平面展開可能なワークの立体形状とその上に配置する２次元の印字データから３次元加工データを作成する手順を説明する説明図である。
【図３３】本発明の実施の形態２に係る３次元加工データの設定手順を示すフローチャートである。
【図３４】印字パターンの３次元形状を入力する印字パターン３次元形状設定プログラムのユーザインターフェース画面を示すイメージ図である。
【図３５】外部機器とデータ通信するレーザ制御部の構成を示すブロック図である。
【図３６】３次元加工データ設定プログラムでファイルを読み込む状態を示すイメージ図である。
【図３７】調整手段を構成するレーザ制御部の構成を示すブロック図である。
【図３８】ワークの印字面の高さ方向にばらつきが生じる様子を説明する側面図である。
【図３９】ワークの印字面のＸＹ平面にばらつきが生じる様子を説明する側面図である。
【図４０】設定の切り替えを実現するレーザ制御部を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…レーザ制御部；１Ａ…コントローラ
２…レーザ出力部；３…入力部
３Ａ…加工面プロファイル入力手段；３Ｂ…加工パターン入力手段
４…制御部；５…メモリ部；５Ａ…記憶部
６…レーザ励起部；７…電源；８…レーザ媒質
９…走査部；１０…レーザ励起光源
１１…レーザ励起光源集光部；１２…レーザ励起部ケーシング
１３…光ファイバケーブル
１４…スキャナ；１４ａ…Ｘ軸スキャナ；１４ｂ…Ｙ軸スキャナ
１４ｃ…Ｚ軸スキャナ；１４ｄ…ポインタ用スキャナミラー
１５…集光部；１６…入射レンズ；１８…出射レンズ
２０…対物レンズ；２１…ガルバノメータ式スキャナ
２７…レーザ発振器；２８…伝播光径調整レンズ
５０…レーザ発振部
５１、５１ａ、５１ｂ…ガルバノモータ
５２…スキャナ駆動回路
５３…ビームエキスパンダ
５４…光学部材
６０…ガイド用光源
６２…ハーフミラー
６４…ポインタ用光源
６６…固定ミラー
８０…演算部；８０Ａ…座標変換手段
８２…表示部
９２…ＣＰＵ
９３…通信ポート
９４…メモリ
９５…通信ポート
９６…Ａ／Ｄ変換器
９７…通信ポート
１００…レーザ加工装置
１５０…マーキングヘッド
１６０、１６０Ｂ…調整機構
１７０…設置台
１８０…３次元加工データ設定装置
１９０…外部機器
２００…３次元形状設定プログラム
２０２…編集表示欄
２０４…印字パターン入力欄
２０４ａ…「種類」欄；２０４ｂ…「文字入力」欄；２０４ｃ…詳細設定欄
２０５…「サイズ・位置」タブ
２０６、３０６…３次元ビューワ欄
２０７…右クリックメニュー
２１０…ワーク３次元形状設定プログラム
２２０…ワーク形状設定ウィザード
２２２…「図形選択」欄
２２４…「入力パラメータ説明」欄
２２６…「パラメータ入力」欄
２３０…ＣＡＤファイル変換画面
２３２…「ファイル選択」欄
２３４…「ビューワ」欄
２３６…「変換」ボタン
３００…印字パターン３次元形状設定プログラム
３０２…編集表示欄
３０４…印字パターン入力欄；３０４ｂ…「文字入力」欄；３０４ｃ…詳細設定欄
３０６…３次元ビューワ欄
３１０…ファイル選択ダイヤログ
Ｌ、Ｌ’…レーザ光；Ｗ…ワーク；ＷＰ…加工面；ＷＳ…作業領域
ＩＭＧ…イメージセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２３】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３５】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図１２】
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【図１７】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３１】
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【図３４】
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【図３６】
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